Programma
Questo corso propone un percorso interdisciplinare attraverso i principi fisici alla base dei macromolecole biologiche e degli strumenti computazionali utilizzati per studiarle. Unendo biologia molecolare, fisica e informatica, il programma introduce concetti chiave della biofisica, della struttura molecolare e delle tecniche di simulazione, con un’attenzione particolare a proteine e acidi nucleici.
1. Introduzione alla Biofisica
Il corso inizia con una panoramica introduttiva della biofisica. Verranno esaminate le caratteristiche fondamentali dei macromolecole biologiche e introdotto il dogma centrale della biologia molecolare—ovvero il flusso dell’informazione genetica dal DNA all’RNA alle proteine—insieme ai meccanismi cellulari che lo supportano.
2. Introduzione alla Fisica Computazionale
Per prepararsi agli aspetti computazionali del corso, verrà proposto un breve ma intenso corso introduttivo su Python, il linguaggio di programmazione che useremo durante tutto il percorso. A seguire, un esempio pratico tratto dalla programmazione dinamica offrirà una prima introduzione al problem solving algoritmico in ambito biologico.
3. Le Proteine: Struttura e Interazioni
In questa sezione approfondiremo lo studio delle proteine, a partire dalle proprietà chimiche degli amminoacidi e dalle interazioni responsabili del ripiegamento e della stabilità delle strutture proteiche—come forze di van der Waals, legami a idrogeno e interazioni elettrostatiche. Esamineremo poi l’organizzazione gerarchica delle strutture proteiche: primaria, secondaria, terziaria e quaternaria.
4. Acidi Nucleici: DNA e RNA
Ci concentreremo poi sugli acidi nucleici, analizzando i loro mattoni fondamentali—i nucleotidi—e come si assemblano per formare le catene di DNA e RNA. Verranno illustrati i principi di ibridazione e le strutture secondarie e terziarie che questi acidi possono assumere.
5. Folding, Progettazione e Predizione della Struttura di Proteine e Acidi Nucleici
Questo modulo centrale affronta il modo in cui le proteine e gli acidi nucleici si ripiegano nella loro forma funzionale e come possiamo prevedere o persino progettare tali strutture. Verranno trattati aspetti termodinamici e cinetici del folding e unfolding, modelli come Zimm-Bragg e Hydrophobic-Polar, e tecniche computazionali come l’allineamento di sequenze e strutture. Concluderemo con i metodi per la predizione della struttura secondaria di DNA e RNA.
6. Introduzione alla Meccanica Molecolare Quantistica
In questa lezione introduttiva affronteremo la modellizzazione quantistica delle molecole. Verranno presentati i principi della teoria del funzionale della densità (DFT) e del metodo di Car-Parrinello, con esempi del loro utilizzo nello studio della struttura elettronica di sistemi biomolecolari.
7. Simulazioni di Dinamica Molecolare
Una sezione dedicata alla dinamica molecolare (MD), uno degli strumenti più potenti per studiare sistemi biomolecolari. Tratteremo i principali algoritmi di simulazione, consigli pratici per l’implementazione, e osservabili utili come la funzione di distribuzione radiale e la pressione. Verrà inoltre analizzato l’uso dei campi di forza all-atom per descrivere in modo realistico le interazioni molecolari.
8. Modelli Coarse-Grained
Quando i sistemi diventano troppo grandi o complessi per simulazioni all-atom, i modelli coarse-grained rappresentano un’alternativa efficace. In questa sezione introdurremo gli approcci bottom-up e top-down alla coarse-graining, spiegando quando e come utilizzarli.
9. Tecniche di Campionamento Avanzato
Il corso si conclude con un modulo sulle tecniche di campionamento avanzato, che permettono di superare i limiti delle simulazioni tradizionali. Studieremo metodi come umbrella sampling, integrazione termodinamica e hamiltoniana, e metadinamica, strumenti che consentono un’esplorazione più profonda dei paesaggi energetici e degli eventi rari.
Prerequisiti
Prerequisiti minimi:
- Termodinamica al livello della laurea triennale in Fisica
- Meccanica statistica al livello della laurea triennale in Fisica
- Conoscenza di base di almeno un linguaggio di programmazione (C, C++ o Python)
- Conoscenza di base del terminale Linux
Prerequisiti consigliati:
- Nozioni di base di biologia e/o di biofisica (anche al livello di scuola superiore)
- Buona conoscenza di un linguaggio di programmazione (C, C++ o Python)
Testi di riferimento
- Lehninger et al. (2005): a bible of biochemistry. Very useful as a reference for the basic biochemistry reactions involved in all biological systems.
- Finkelstein & Ptitsyn (2016): protein physics in a nutshell. It is based on a series of lectures that the authors have been delivering for years (if not decades). It is very comprehensive, and uses a informal approach that I find very compelling.
- Leach (2001): principles of molecular modelling, both quantum and classical. Perhaps a bit outdated in some parts, but still a very useful resource for a general introduction to modelling molecular interactions.
- Schlick (2010): also on molecular modelling, but oriented towards nucleic acids and proteins. Very useful as a crash course to DNA, RNA, and proteins, as well as to the way the are modelled with a computer.
- Frenkel & Smit (2023): the bible of molecular dynamics and Monte Carlo simulations. I use it to introduce the Monte Carlo algorithm and the basic molecular dynamics techniques.
- Israelachvili (2011): an incredible (and comprehensive) book on intermolecular forces. For our class, it is especially useful to understand van der Walls and hydrophobic forces
- Giustino (2014) and Böttcher & Herrmann (2021): I did not read them front-to-back, but only used them as sources for the Molecular quantum mechanics chapter.
- Michele Cascella and Raffaello Potestio (2025): An excellent resource on the theoretical foundations of multiscale modelling, with ample discussions on coarse graining procedures.
Modalità insegnamento
Il corso prevede 60 ore di lezione frontale.
Modalità di esame
Il voto verrà assegnato tramite un esame orale. Opzionalmente, gli studenti potranno diminuire il programma da portare all'orale consegnando due esercizi durante il semestre (-30%) e/o un progetto finale (-40%).
Bibliografia
The complete bibliography can be found in the lecture notes.
Modalità di erogazione
Il corso prevede 60 ore di lezione frontale.
